真空中频感应加热炉感应器的补偿设计

真空中频感应加热炉感应器的补偿设计 (中南大学粉末冶金国家重点实验室，湖南 长沙 %) ,--./ 摘 要:文章介绍了一种真空中频感应加热炉感应器的补偿设计原理、技术方案及其效果，通过优化设计感应器 感应圈的结构参数来调节磁感强度和磁通变化幅值在感应器轴向分布的大小，以达到提高感应加热炉工作区的 温度均匀性。 关键词:感应加热;;补偿设计!"# 中图分类号:0123,45 文献标识码:6 文章编号:%--5).2/7(3--,)-,)---/)-/ #$%& -&. -.0 12 .$ 123$4 !"’"()(*+,)"’*"/)"*+)/+))"( ."/$(&.*" 5)’&)/ 1$2"’() #$%& ’()*+(+,，’-./0 ’(1+,234)+ (56167 97: ;1<= >?@ A?BC7@ D761EE)@, ，F7+6@1E: 5?)64 %+(G7@H(6，F41+,H4:，1$)+1+ I!JJKL，F4(+1M 67-&28(&:N(H3E?H7C (H 1 P764?C ?Q 647 (+C)361+37 3?PR7+H16(?+ Q?@ C7H(+C)36(G7 (,+ 4716(+, Q)@+13= 7F41+,(+, 647 H7R1@16(?+ ?Q 647 6B? 647 (+C)361+37 3?(EH ?Q 1CS)H6 31+ 647 C(H6@(<)6(?+ P1,+76(3 ?Q 647 QE)T C7+H(6: P1,+76(3 1+C QE)T 1PRE(6)C7 1E?+, 647 = 3?(E U1H7C 1T(?+ H647 (C7 V1 1+ (+C)36(G7 4716(+, Q)@+137 B(64 3E1HH(3 C7H(,+7C Q)@+137 B(64 3?PR7+H16(?+ C7H(,+7C (+C)361+37 (H Q(+(H47 = CF?PR1@7C 6? 647(+C)36?V @ 647 67PR7@16)@7 C(H6@(<)6(?+ (+ 647 +7B C7H(,+7C Q)@+137<7667 =(H @ 42-:(+C)36(G7 Q)@+13;FW7N;3?PR7+H16(?+ C7H(,+ 9)*/: 化学气相沉积(!"#)是制造刹车盘的炭纤维增 磁场。按照电磁感 应定律，在被加热 强炭基体( $ ) 复合材料的重要工艺，真空中频感 !! 的发热体和导电炉 应加热炉是生产 ! $ ! 复合材料的关键设备。在材料 料内产生感应电动 的生产过程中，化学气相沉积炉的控温精度和工作 区温度均匀性是重要的控制指标。我们通过对感应 势 圈内磁场强度及磁通沿其长度方向的变化进行分 *! 析，对感应器作了补偿设计，与常规感应器的设备进 ()()’() "%*+ 行对比测试后得出结论:对真空中频感应电炉的感 式 中 ， 为 感 ’应器作补偿设计，可以在一定程度上提高感应加热 应 电 动 势 的 瞬 时 炉工作区的温度均匀性。 *! 值， 为磁通量 + * 对 时 间 的 变 化 率 感应加热电炉 ! (微分)，式中的负 感应加热电炉的感应器与发热体的结构及相对 号 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示感应电动势 位置见图 %。感应器相当于变压器的初级线圈(螺线 的方向与磁通量对 图 感应电炉及其测温热电偶配置 ! 管)，装在感应器中的发热体和导电炉料为次级线 圈。当感应器接入交流电源&在感应器内产生交变电 时间的变化率的方向相反。 收稿日期:3%% --,)-)- 作者简介:周九宁($%&’( )，男，湖南长沙人，工程师，主要从事电气设备控制系统的研究开发工作。 F 1 载流导线或线圈产生磁场，磁通量是磁感强度螺线管两端的连线与螺线管轴线之间的夹角，如果 对面积的积分 螺线管为无限长，%&9 任何绕得很紧密的长螺线 /" 管内部的磁场是均匀的，螺线管的端点处的磁感强 () ’!"! #!"!%#$ $&!!度恰是内部磁感强度的一半。假定感应圈的直径 G/ 在圆形电流磁场中，磁介质的磁导率为 ，其他 "H7 ，高度为 1 177 ，磁感强度比例系数 D 与 :!!!! 几何参数见图 ，则 ’感应器的轴向位置的关系见图 :。 ((+，.) " +(, "+(,$-& % ()/ "’’ ..# #** +, " "(2+(, %%$-&$ $-&$ (/(/"001’. . . *# *# 综合磁感强度为 + 2+2 " " %!% ! , /(/("#2’0034 ..# **# ’ 2+ " (4) " 4’’’ (256) ! 磁感应强度系数与感应器轴向位置的关系图 % 令 6/7，即求得圆心 8 处的磁场强度 9 " "# !中频感应加热 %) (:) 1 2 中频感应加热所用工业电流(中频电流)的频 率是按正弦规律变化的。 K) (99$-&(1IJ)/# ! 磁通变量亦有相对的正弦关系，即 $-&(1#IJ) !/!! (!?1IAB($ 1IJ)/##! !(J (! /!AB($ 1#IJ) (!(J 图 # 磁感强度计算参数 将之代入(F)式 L/M!AB($ @#IJ) (!H) (如果圆电流是由 匝线圈所组成，电流强度仍 ; 为 9，圆心 8 点处的磁感强度 此式中的 ?@#IJ 为磁通变化的振幅。它!/! (!! 不仅取决于零件截面的最大磁通 ，还与电流频率 I ! ! 9 "; (=) %) 成正比，电流频率高，(! N (J 值大，感应电动势也越大。 1< 由于发热体(被加热导体)内存在电动势，所以 载流直螺线管在某点所产生的磁感强度等于在其表面薄层内将形成封闭的电流回路，即涡流。 各匝线圈在该点所产生的磁感强度的总和。根据计 由于感应电动势与原电路电势反向，在每一瞬间， 算，直螺线管内部轴线上某点的磁感强度的计算参 涡流方向总是与感应器中电流方向相反。 >0?数参见图 3。 涡流强度 9决定于感应电动势 L 与涡流回路的 I 阻抗 O。根据欧姆定律 9/L N O( P)(F7) I 由于石墨材料制成的发热体的阻抗 O 一般很 小，故 9能达到很高的数值，使涡流回路产生大量的 I 热，从而使发热体表层温度快速升高，其热量由焦 耳M楞次定律确定 图 $ 螺线管磁感强度计算 @Q7R@92(J AS,) (00) /: " " E) (%) &(9 AB$%CAB$%)/ &(9 D)01 置于发热体中的被加热工件内部同样也产生@ 1 涡流，由于其位置远离感应器，置于发热体内的工件 & 为螺线管单位长度的匝数，9 为通过线圈的电 温 ?，2 支热电偶测得的温度差别为 04;保温 * :*; 感应器的补偿设计 !?，温差仍有 00;保温 ? 后，通入用 5稀释过的 :. ; 0 333 根据磁感强度及磁通量在有限长螺线管中的 7 源 气 体 ，2、4、*热 电 偶 测 得 的 温 度 分 别 为 @ A 分布规律，对感应圈的匝间距进行补偿设计，改变 .，@A:0<*与 @’C;中间热电偶测得的温度较位 ;;;式(!)中的 "，调节螺线管中的 #，增大感应器中部 于料柱上缘热电偶测得的温度高 .<*，较位于料柱 ;’(线圈间距，使两端部的线圈间距最小，"%&"，"、"下缘的热电偶测得的温度高 0/<*;。料柱内的温度 $)$) 3 为设计圈间距与两端圈距。实际上，感应炉的感应 分布情况见图 0炉的感应器是传统设计结 *，而 构 ，要 保 证 产 品 质 量 ，只 能 缩 短 装 料 高 度 ，也 就 是 器的高度会大于工作区高度。另外，大型中频感应 说，实际恒温区温度略小于设计要求。 电炉的感应圈数不可能取得太多，多了阻抗过高， 功率因数下降。因此大型感应电炉的补偿设计，在 实际实施中有其特定的技巧。此外，发热体外部保 温层的设计与配置，上端盖与下部装料台与炉膛的 动密封，进气口与排气道的设计、布置等等，对感应 炉内的温度分布亦有很大的影响。 # 试验与测试 "#$ 测试对象 为了考察新的设计方案对解决工作区温度均 匀性的贡献，对两台工作区尺寸为 + !*-(.//!,, 图 采用常规感应器满料料柱内温度分布 ’ ,, 的真空中频感应加热炉的炉温分布情况进行了 实测。被测的两台设备除感应器的设计不同之外， 1 3 其他结构参数、材质等均保持不变。0炉的感应器 2炉未装炉料升温，炉温升至预定的温度之 333 3 后，保温 ?，2、4、热电偶测得的温度分别为 @A * *:设计是属于传统设计，2炉的感应器设计采用了新 0，@AE，@0;最大温度差为 ;装满炉料 ::’::;;;;的设计思想，为均衡发热体整个高度上的温度值， 333 升温，达到一定的温度后再保温 * ?，2、4、*热电 感应圈匝间距离由中部往两端逐渐减小。 偶测得的温度分别为 @，@AC与 @;温差均 :;:;:;%& 测温装置 " 对工业化学气相沉积炉，原设计即在炉顶盖上 3为 C;保温 ? 后通入用 5 稀释的 7 源气体，2、 ;. 0 装了 ( 支控温热偶和 ( 支监温热偶。控温热偶置于 33 4、*热电偶测得的温度分别为 @:A:，@:A:/与 ;;炉顶中部;监温热电偶在离炉顶中心 0+ 的圆 *,, 33@A0，最大温度差为 E。 :;;周上，这 0 支热电偶在测试系统中编号为 、0。另 (3 图 是补偿设计感应器的 2中频感应炉的升 . 外，在 0*+ 圆周的备用孔中往炉内再装入 2 根热 !333 温曲线，2、4、*热电偶对应的是边上、边中、边下 电偶，其轴向位置分别在均温区的上缘、正中间及 333曲线，不难看出，2 条曲线基本同步上升，到第 E ?、 下缘上，热电偶自上至下的编号为 2、4、。为监测 * 第 ? 后，几支热电偶的数值已基本一致。 :/ 炉料柱中的温度分布情况，从炉底插入 ( 支热电偶 3()，其伸入炉膛的高度可人为控制(见图 )。热电 .( 偶采用 0 直径的 56785696 丝，&2 分度，极限 !,, 工作温度为 2 。控温、监温用 < 级精度的 : ///:; =>0: 表，其余温度选用了精度为 /<* 级的数字温度 显示表。 % 测试结果 ""3 0炉装满炉料之后升温至控温温度之后再保 333 温 * ?，2、4、*热电偶测得的温度为 @AB ，@AC;; 333 与 @D:.;保温 :* ? 之后，2、4、*热电偶测得的 ; 图 满料料柱内温度分布 ! (下转第 页) ! 单位力所得荷载单位力所得荷载 偏载系数 ! 主梁 偏载系数 !主梁 *45*45横向扩大系数 ! 横向扩大系数 ! 45 45 截面截面 * % " * % " * % " * % " &1% 6&1 *"*.*&1+** &1& &1*%* &1 &1% &13 &1* &1%+ ",.!,"."""""&1"%+ &1"" ,% % &1%.( &1*!* &1%*! &1",! &1".+ &1(!( &1""& &1""& &1"3* &1"%. &1% &1 "!""," " &1+3% &1%!! &1*3% &1"(& &1"3! &1"&3 &1"%, &1""! &1""* &1"%. &1""+ &1""( 3 3 &1,3( &1%"" &1&%% &1".& &1"3! &1%+3 &1%3 &13& &1% &1 &1 &1% """."""""!".+ + &1(&" &1%!% &1+3, &1%," &1*%. &1%%( &1"%. &1"(3 &1"%& &1"%( &1"%( &1"". ! ! &13 &1*& &1* &13&* &1* &1%* &1% &1 &1& &1+ &13& &1%3 (."!"",,"!""!"""""" ,, &1&% &1 (".!&1""" &1""" &1""3 &1"%& &1%" ,&1".* &1""3 &1%!% &1*++ &1""% . . 表 # 双线铁路荷载情况下应力横向分布系数比较主梁 * 的荷载横向分布系数最大，中跨跨中截面荷 载分布系数为 "7&1".!8*1*.*，边跨 * 9 3 跨中截面为 单位力所得荷载偏载系数 !主梁*4 5 横向扩大系数 ! "7&1"3"8*1&%.。 45 截面* % " * % " 本文着重从有限元分析来探讨变截面连续箱 &13 &1*% &1* &1&3 ""("!(&1*3 &1"(% ,% 梁的内力空间的实用近似分析，为此类结构的进一 &13&. &13&% &1"*% &1%,+ &1%& &1 ""(." 步理论研究和桥梁结构设计提供了依据。 &1*!& &1"+! &13%( &1"*. &1""& &1"(* 3 &1&+" &1"3 &13" &1"&( &1""% &1"+" .,+ &13% &1+ &1&%* &13* .(!"&1*+3 &1"+ ! !参考文献" &1%*+ &1"(* &13& &1"&( &1"(* &1"33 , , &1"&3 &1""" &1"+( &1"+ &1%( &1"3+ ., ./*0 美国各州公路和运输工作者协会:;;<=>?@1美国公路桥 梁设计规范——荷载与抗力系数设计法北京人民交 /01A2 由单位力荷载影响线求出的荷载横向扩大系数通出版社$*1 ..!普遍大于由铁路活载作用下此桥荷载横向扩大系 同济大学路桥教研组公路桥梁荷载横向分布计算北 /%0 1/201数，说明现行规范取用单位力荷载横向扩大系数是 京:人民交通出版社，*1 .!! 偏于安全的。 房贞政，郭金琼变截面连续箱梁模型试验研究中国公 /0 1/B01" 路学报，*($:3@A(6+"1 ..,.该箱形梁承受火车荷载时，由 列车控制设计。 " 由于荷载的偏心设计，中跨和边跨分别是主梁 " 和 (上接第 ! 页) 炉满料装炉，无论通气还是不通气，料柱外缘或确切 # 地说发热体相应于工作区的上、中、下位置的温度误 图 ! 是 "炉的料柱内的温度分布情况。 差达到 %&’以上，保温 ( )、*( )、*+ )，温度差别变 # 化不大。"炉满料装炉，保温 ( )，不通气时，温度只 有 ;充气之后温差为 ，料柱中间温度分布 ,,-.’’ 情况也有类似规律。这表明:通过真空中频感应加热 炉中感应器的补偿设计，能有效提高大型真空中频 感应加热炉的炉温均匀性，增大加热炉的有效工作 区间，对提高大型真空中频感应加热炉的生产效率 具有极其重要的意义。 图 带料升温、保温炉内温度分布情况 ! 参考文献" 结 论 ! /*0 徐润泽1粉末冶金电炉及设计/201 长沙:中南工业大学出 在保证其他因素基本不变的情况下，通过对用 版社，&1 *..传统设计和补偿设计的感应器、中频感应加热炉进 程守洙，江之永普通物理学北 京 :高 等 教 育 出 版 社 ，/%0 1/201 ## #行炉温实测$从 %、"炉的炉温最终实测情况来看，% *..(1